2020年1月16日庫車MS5.6地震前兆異常初步分析①

張治廣， 錢 才， 邢喜民， 木拉提江·阿不來提

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011； 2.新疆工程學院，新疆 烏魯木齊 830023)

根據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，2020年1月16日16時32分新疆維吾爾自治區(qū)庫車市發(fā)生MS5.6地震，震中位置為41.21°N、83.6°E，震源深度16 km。震中位于塔北古隆起的哈拉哈塘凹陷內(nèi)，新生代以來該地區(qū)構(gòu)造活動特征不明顯，震中附近地表未發(fā)現(xiàn)活動斷裂，距震中最近的斷裂是尉犁斷裂，相距8 km，全長約570 km，北東東走向。根據(jù)新疆地震臺網(wǎng)目錄，震中以北構(gòu)造帶歷史地震活動比較活躍，1900年以來震中100 km范圍內(nèi)發(fā)生M≥5.0地震20次(含余震)，其中M≥5.0地震15次，M≥6.0地震3次，M≥7.0地震2次。綜合該地震震害調(diào)查的等震線長軸分布、震源機制解以及余震空間分布特征，初步推斷此次地震的發(fā)震斷層可能為尉犁斷裂(1)新疆維吾爾自治區(qū)地震局.2020年1月16日新疆庫車市5.6級地震災(zāi)震害調(diào)查報告．2020.。

在地震孕育過程中，震中附近地區(qū)的地殼介質(zhì)將會發(fā)生形變、應(yīng)變等力學信息的變化[1]，這些變化有時會被各種前兆儀器記錄到。在前兆觀測實踐中，經(jīng)常出現(xiàn)測值大幅度變化現(xiàn)象，由于干擾因素的存在，很難識別這些異常信息的真假，而且干擾因素的多樣性和復(fù)雜性增加了異常的識別難度。在前兆異常判定時，需要核實儀器工作狀態(tài)是否正常，并根據(jù)一定的原則排除觀測環(huán)境、天氣變化等外界因素的干擾[2]。陳運泰指出地震預(yù)測的進展主要受到地球內(nèi)部的“不可入性”、大地震的“非頻發(fā)性”以及地震物理過程的復(fù)雜性等困難的制約；地震預(yù)測雖然困難，但并不是不可能的[3]。國內(nèi)許多研究人員對地震前兆進行探索性研究，并取得了相應(yīng)的進展和成果[4-15]。本文中對震前前兆異常變化特征進行分析和討論，以便為中強震頻發(fā)的該區(qū)域未來的地震預(yù)測提供相關(guān)科學依據(jù)。

1 震中周圍前兆觀測及異常概況

庫車MS5.6地震震中250 km范圍內(nèi)有6個定點前兆臺站(圖1)，包括地傾斜、應(yīng)變、斷層蠕變、重力、水位、水溫和氣氡7個觀測項目，共18個觀測臺項，其中，震中100 km范圍內(nèi)無定點前兆臺。100～200 km范圍內(nèi)有庫車、陽霞和巴音布魯克3個前兆臺，共3臺項地傾斜觀測。200～250 km 范圍內(nèi)有庫爾勒、小泉溝和新源3個前兆臺，包括地傾斜、應(yīng)變、斷層蠕變、重力、水位、水溫和氣氡等15個觀測臺項。

圖1 庫車MS5.6地震附近定點前兆臺站分布示意圖Fig.1 Distribution of precursory-monitoring stations around Kuche MS5.6 earthquake

異常分析判定時需要開展現(xiàn)場異常核實工作，首先排除觀測環(huán)境、天氣變化等各種因素對數(shù)據(jù)的干擾[16]，并且經(jīng)過臺站值班人員的核查，確保儀器工作狀態(tài)正常。然后根據(jù)異常判定原則[6]，使用形態(tài)分析法對2008年以來預(yù)處理后的數(shù)字化資料進行研究，震前分析提取庫車MS5.6地震背景性前兆異常有2項，中短期前兆異常共有5項(表1)。

表1 庫車MS5.6地震定點前兆異常統(tǒng)計表

2 異常特征分析

庫車MS5.6地震前識別提取的背景異常有庫爾勒水平擺、跨斷層2項，表現(xiàn)為趨勢轉(zhuǎn)折變化；中期異常有庫爾勒跨斷層、洞體應(yīng)變和庫車鉆孔傾斜3項，均為年變幅變化異常；短期異常有庫爾勒水管傾斜和垂直擺2項，表現(xiàn)為傾斜方向改變和速率的快速變化。

2.1 庫爾勒水平擺傾斜儀

庫爾勒水平擺2001年開始正式觀測，2006年底改造為“十五”模式，距離本次地震225 km。 EW分量2011年底以后形成新的趨勢轉(zhuǎn)折變化，周邊相繼發(fā)生了輪臺MS5.4、新源—和靜MS6.6地震。

庫車MS5.6地震前，EW分量仍保持2013年以來的趨勢W傾加速變化，雖然近年來臺站周邊相繼發(fā)生輪臺MS5.3、托克遜MS5.4、呼圖壁MS6.2和庫車MS5.7地震，但趨勢W傾背景異常依然沒有發(fā)生改變(圖2)，分析認為庫車MS5.6地震前庫爾勒水平擺EW分量存在趨勢W傾的背景異常。

圖2 庫爾勒水平擺EW分量日值曲線圖Fig.2 EW daily mean value of Korla horizontal pendulum

2.2 庫爾勒水管傾斜儀

庫爾勒水管傾斜儀2009年2月進行“十五”改造，2013年更換儀器。2014年增加檢測裝置，并對觀測山洞進行密封改造，利用專項對水管儀更新升級，距離本次地震225 km。

為了便于對每年同期數(shù)據(jù)進行對比分析，提取異常，把數(shù)據(jù)歸一化到同一坐標軸(圖3)。水管傾斜EW分量自2019年9月27日開始出現(xiàn)緩慢反向W傾異常變化，至2019年11月29日，W傾幅度達到2.92×10-2″；隨后出現(xiàn)快速E傾變化，速率大約是2016～2018年同期均值的2倍，12月17日后恢復(fù)正常變化。與2016年以來同期對比，震前出現(xiàn)明顯的短期前兆異常。

圖3 庫爾勒水管傾斜東西分量日均值曲線Fig.3 EW daily mean value of Korla water pipe instrument

2.3 庫爾勒垂直擺傾斜儀

庫爾勒垂直擺架設(shè)于2014年1月，同月加裝苯板罩用于防止氣壓波動對儀器的干擾，之后儀器經(jīng)多次調(diào)試，處于恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，2015年以后，儀器運行正常，距離本次地震225 km。歸一化到同一坐標軸的數(shù)據(jù)曲線如圖4。

庫爾勒垂直擺EW分量自2019年12月1日起有明顯加速E傾異常變化，至12月22日達到5.28×10-2″，E傾速率是2017年和2018年同期均值的約3.6倍，短期前兆異常明顯(圖4)。

圖4 庫爾勒垂直擺日均值曲線Fig.4 Daily mean value of Korla vertical pendulum

2.4 庫車鉆孔傾斜儀

2011年庫車鉆孔傾斜數(shù)字化改造后，數(shù)據(jù)接入新疆維吾爾自治區(qū)地震局數(shù)據(jù)庫，資料由局前兆臺網(wǎng)處理，儀器維護為庫車縣地震局負責，2016年交由阿克蘇中心地震臺代為處理維護，但是由于地方性工作調(diào)動、駐村、機構(gòu)改革等問題，該臺儀器存在維護、標定不及時的問題。

庫車鉆孔傾斜距震中115 km，通過對庫車鉆孔傾斜EW分量2016～2019年年度轉(zhuǎn)向時間及年變幅度統(tǒng)計分析(表2)，2019年4月3日至9月30日E傾變化0.52″，是往年E傾幅度均值的0.78倍，較往年同期明顯減小(圖5)。

圖5 庫車鉆孔傾斜日均值曲線Fig.5 Daily mean value of Kuche borehole tilt

表2 庫車鉆孔傾斜EW分量波谷-波峰歷年年變幅統(tǒng)計

2.5 庫爾勒斷層儀

庫爾勒斷層儀自1993年投入觀測，距離本次地震震中225 km。2013年11月15日開始該資料水平直交分量出現(xiàn)快速壓縮變化的背景異常，該異常反映了2013年11月15日以來區(qū)域應(yīng)力增強，所跨斷裂受擠壓作用明顯，庫車MS5.6地震即發(fā)生在該背景異常持續(xù)過程中(圖6)。水平直交分量自2019年3月2日至10月1日年變幅度明顯增大，達到3.62×10-2mm，是2014～2018年同期均值1.63倍(表3)，震前中期異常顯著。

圖6 庫爾勒跨斷層水平直交分量日均值曲線圖Fig.6 Orthogonal Daily mean value of Korla cross-over fault base line

表3 庫爾勒跨斷層水平直交分量年變幅統(tǒng)計表

2.6 庫爾勒洞體應(yīng)變儀

庫爾勒洞體應(yīng)變2000年11月開始觀測，于2014年底進行洞體改造，重架觀測儀器，距離本次地震225 km。

2019年3月1日至11月24日庫爾勒洞體應(yīng)變北南分量拉張年變幅度為5.6×10-7，是2015～2018年拉張幅度均值的0.62倍(表4)，與往年相比明顯減小(圖7)，中期異常顯著。

圖7 庫爾勒洞體應(yīng)變觀測日均值曲線圖Fig.7 Daily mean value of Korla cave strain

表4 庫爾勒洞體應(yīng)變北南分量波谷-波峰

對上述異常時空分布特征進行分析，從空間分布來看，除庫車地震臺1項異常外(圖1)，其他異常均屬庫爾勒地震臺；從時間進程來說(圖8)，自庫爾勒垂直擺2019年12月1日出現(xiàn)異常后，待對應(yīng)中短期異常數(shù)量達到5項，地震發(fā)生在5項中段期異常全部結(jié)束待對應(yīng)階段。

圖8 庫車MS5.6地震前異常時間進程圖Fig.8 Anomaly time process before Kuche MS5.6 earthquake

3 討論

距離此次庫車MS5.6地震104 km處發(fā)生過2017年9月16日庫車MS5.7地震，兩次地震震中附近監(jiān)測能力、臺網(wǎng)密度和觀測項目等水平相當，二者具有一定可比性。

在此次庫車MS5.6地震前，識別提取出了庫爾勒地震臺地傾斜、應(yīng)變、斷層測項的前兆異常變化信息，而重力、水位、水溫和氣氡測項在震前未發(fā)現(xiàn)異常，而2017年庫車MS5.7地震的前兆異常測項包括水平擺、洞體應(yīng)變、鉆孔應(yīng)變、氣體和水位等[10]。兩次地震前定點地球物理異常特征相同點是200 km范圍內(nèi)定點前兆異常數(shù)量都較少，均是異常結(jié)束后發(fā)震，震前異常數(shù)量都有逐漸增多趨勢，且震后背景異常依然持續(xù)。不同點表現(xiàn)為，庫車MS5.6地震前無流體異常，2017年庫車MS5.7地震前新43泉水位和氣氡均出現(xiàn)高值異常。兩次庫車地震前異常測項的不同，再次反映了地震前兆地球物理化學測項發(fā)展變化過程的復(fù)雜性，也可能與目前的異常識別分析水平有關(guān)。2017年庫車MS5.7地震前約1個月，發(fā)生了精河MS6.6地震，由于這兩次地震時間間隔較短，空間間距不大，而異常多為背景異常和中短期異常，無臨震異常，因此很難區(qū)分這兩次地震前的異常屬于精河MS6.6地震還是庫車MS5.7地震的孕震過程。此次庫車MS5.6地震前異常測項主要集中在庫爾勒臺，2017年庫車MS5.7地震前除巴侖臺、尼勒克和小泉溝等臺站出現(xiàn)異常測項外，庫爾勒臺也觀測到了4項異常，說明庫爾勒臺可能是地震前兆觀測的敏感點。

總體來說，兩次庫車地震震級水平相當，地理位置相差不遠，但其前兆異常特征不盡相同，尤其是本次庫車MS5.6地震前的定點地球物理異常測項集中在庫爾勒臺，值得進一步深入研究總結(jié)。

4 結(jié)論

通過對2020年1月16日庫車MS5.6地震的前兆異常特征進行分析，初步得出以下結(jié)論和認識。

(1) 庫車MS5.6地震前震中250 km范圍內(nèi)6套儀器共觀測到前兆異常7項，其中背景異常2項，異常類型表現(xiàn)為震前數(shù)據(jù)發(fā)生趨勢轉(zhuǎn)折變化；中期異常3項，表現(xiàn)為年變幅改變異常；短期異常2項，表現(xiàn)為傾斜方向改變和速率的快速變化。7項前兆異常均分布于震中周圍100～250 km范圍，100～200 km范圍內(nèi)僅庫車鉆孔傾斜東西分量出現(xiàn)異常，200～250 km范圍內(nèi)異常全部集中在庫爾勒地震臺，庫爾勒地傾斜、應(yīng)變、斷層儀等測項出現(xiàn)準同步異常。庫車MS5.6地震震中100 km范圍內(nèi)定點前兆監(jiān)測能力較弱，無定點前兆臺站，而震中100 km范圍內(nèi)中強震頻發(fā)，1900年以來發(fā)生了20次M≥5.0地震(其中M≥6.0地震3次，M≥7.0地震2次)，為了給該區(qū)域地震預(yù)測科學實踐提供更好的數(shù)據(jù)支撐，需要進一步優(yōu)化該區(qū)域定點前兆臺網(wǎng)布局，增加觀測項目。

(2) 2019年12月庫爾勒垂直擺出現(xiàn)異常后，中短期異常數(shù)量達到峰值5項，有明顯集群性特征，地震發(fā)生在異常結(jié)束后待對應(yīng)階段。以往震例研究也表明[6-9]，新疆一些中強震發(fā)生在群體異常峰值減小后的時間段。對群體異常數(shù)量時間進程進行跟蹤，可以為發(fā)震的時間緊迫性提供相應(yīng)的依據(jù)。

(3) 對前兆異常空間分布特征進行分析，除庫車鉆孔傾斜1項異常外，其他異常集中分布在庫爾勒地震臺。這可能是由于庫爾勒地震臺位于北輪臺斷裂、庫爾勒隱伏斷裂和辛格爾斷裂的交匯部位，庫車MS5.6地震的發(fā)震構(gòu)造為尉犁斷裂，尉犁斷裂距離上述斷裂交匯部位較近，在孕震過程中應(yīng)力的積累變化會在相鄰斷裂之間相互影響傳遞。本次庫車MS5.6地震和以往震例[9-11]的震前異常變化顯示，庫爾勒地震臺附近地區(qū)可能是地震相關(guān)地球物理化學觀測的敏感點，在震情跟蹤分析過程中，應(yīng)密切關(guān)注庫爾勒臺資料發(fā)展變化。

致謝：庫爾勒地震臺和阿克蘇中心地震臺在異?，F(xiàn)場核實工作中提供幫助，在此表示衷心的感謝！